En la extracción de petróleo y gas natural, un árbol de Navidad, o "árbol", es un conjunto de válvulas, carretes y accesorios utilizados para regular el flujo de tuberías en un pozo de petróleo, pozo de gas, pozo de inyección de agua, pozo de tratamiento de agua, gas Pozo de inyección, pozo de condensado y otros tipos de pozos.
Los árboles de Navidad se utilizan en pozos tanto superficiales como submarinos. Es común identificar el tipo de árbol como "árbol submarino" o "árbol de superficie". La función principal de un árbol es controlar el flujo, generalmente de petróleo o gas, fuera del pozo. (También se puede usar un árbol para controlar la inyección de gas o agua en un pozo no productor para mejorar las tasas de producción de petróleo de otros pozos).
Cuando el pozo y las instalaciones están listos para producir y recibir petróleo o gas, Las válvulas se abren y los fluidos de formación pueden pasar por una línea de flujo. Esto conduce a una instalación de procesamiento, depósito de almacenamiento y / u otra tubería que eventualmente conduce a una refinería o centro de distribución (para gas).
Un árbol de Navidad consiste en una serie de válvulas y los componentes.
- Válvula Maestra Superior
- Válvula maestra inferior
- Válvula lateral de matar
- Válvula lateral producción
- Válvula de Suaveo / Corona
- T-Cap y manómetro
- Choke - Estrangulador
Conocimientos Básicos del Arbol de Navidad Superficial
En
la industria petrolera se conoce como árbol de navidad a la serie de
válvulas y carretos ensamblados y fijados en el tope del pozo. Un árbol
de Navidad es instalado en el tope del carreto o spool del último
revestidoren el housing del cabezal de alta presión en un pozo
submarino. En la figura 1 se muestra el diagrama de un arbol de navidad y
el cabezal de pozo para instalaciones en superficie. La parte del
arbolito se localiza en forma superior (caja azul), y la parte
correspondiente al cabezal del pozo esta en la sección inferior (caja
roja). Mucha gente se confunde entre cabezal de pozo y arbol de navidad,
pensando algunas veces que se trata de la misma cosa.
Sus funciones son las siguientes:
- Permitir a los fluidos del yacimiento fluir desde el pozo hacia superficie de manera segura y en forma controlada.
- Permitir el acceso seguro hacia el hoyo del pozo con el fin de desarrollar procedimientos de intervención del mismo.
- Permitir procesos de inyección como agua o gas.
- Proveer acceso a líneas hidraúlicas para la válvula de seguridad en fondo para control superficial (SCSSSV).
- Proveer interfase eléctrica para equipos de instrumentación y eléctricos para el sistema de completación con Bomba Electrosumergible (BES ó ESP)
En esta sección se describirá como el arbol de navidad (Dry
Tree) el cual se refierea todo árbol usado por encima del nivel del
agua. Estos consisten de una serie de válvulas y los componentes se
describen abajo:
Válvula Maestra
Se localiza sobre el colgador de tubería (tubing hanger) y su función es permitir que el pozo fluya o sea cerrado. Comúnmente existen dos válvulas maestras. Una es llamada lower master valve y la otra upper master valve. Se usan a menudo las dos válvulas maestras para proveer redudancia: si una no funciona adecuadamente, la otra puede compensar sus funciones. En la figura 2 y 3 se muestran diagrmas de pozos con y dos válvulas maestras.
Válvula Maestra
Se localiza sobre el colgador de tubería (tubing hanger) y su función es permitir que el pozo fluya o sea cerrado. Comúnmente existen dos válvulas maestras. Una es llamada lower master valve y la otra upper master valve. Se usan a menudo las dos válvulas maestras para proveer redudancia: si una no funciona adecuadamente, la otra puede compensar sus funciones. En la figura 2 y 3 se muestran diagrmas de pozos con y dos válvulas maestras.
Figura 1 – Diagrama de Christmas Tree (árbol de navidad) y Well Head (cabezal de pozo)
Figura 2 – Single Master Valve
Figura 3 – Valvulas Maestras Superior e Inferior
Conexión Tipo T (T-Block)
Este permite diversificar la corriente de flujo desde la vertical hacia la línea de flujo horizontal.
Figura 4 – T type fitting
Válvulas de Ala o Laterales (Flowing Wing ó Ala de Flujo)
Se localiza a los lados del árbol de navidad y se usa para controlar o aislar la producción desde el pozo hasta las instalaciones de superficie. Dependiendo de cada diseño de árbol de navidad, puede venir equipado con una o dos válvulas laterales. Algunas operadoras requieren de dosválvulas laterlaes de producción, una como principal flujo de producción y la otra como respaldo o backup (figura 5). En muchos casos, una válvula alada se usa para producción y la otra se usa como válvula de matar o de control del pozo (Figura 6).
Figura 5 – Valvulas laterales ó Wing Valve
Figura 6 – Válvulas de producción y de matar/ control
Estrangulador ó Choke
Es la restricción más pequeña en el árbol de navidad, siendo su función la de controlar la rata de producción del pozo. También se usa en algunos casos de control de arena. El choke restringe el área de flujo de la producción a través de un orificio insertado en un cuerpo de estrangulamiento. El diámetro más pequeño resultará en la más baja tasa de producción. Existen dos tipos de estranguladores: 1) choke positivo con engranaje intercambiable y 2) choke ajustable el cual permite ajustar el diametro de estrangulación más facil.
Figura 7 – Valvula de Estrangulador Choke Valve
Válvula de Suabeo / Swab Valve
En el árbol de navidad, una válvula de suabeo es la que se ubica en la parte más al tope proveyendo acceso en forma vertical hacia el pozo para futuras intervenciones y operaciones de servicios conducidos por guaya fina, guaya electrica, coiled tubing o una unidad de snubbing.
Figura 8 – Válvula de suabeo / Swab Valve
T-Cap y Manómetro
T-Cap es una brida o flange localizada en el tope de la válvula de suabeo, que permite la instalación de un lubricador o una BOP de coiled tubing / unidad snubbing, que se conecta al pozo con el fin de llevar a cabo programas de intervención del pozo. El manómetro se usa para monitorear la presion del pozo. Hoy en dia, muchas operadoras usan a menudo manómetros electrónicos que permiten transmitir la data de presión / temperatura para un mejor monitoreo el pozo.
Figura 9 – T-Cap y Manómetro de presión.
Arbol de Navidad Unificado / Unitized Christmas Tree
Es un árbol de navidfad integrado, el cual consiste de una valvula maestra inferior y una superior, y una válvula de suabeo en un solo cuerpo. Esto permite a un operador ahorrar tiempo en instalación.
Figura 10- Unitized Christmas Tree
Tomado del artículo
Surface Christmas Tree (Dry Tree) Basic Knowlege
Arbol de Navidad Submarino Tipo Vertical
Los Dos tipos de arbolitos de navidad submarinos son vertical y horizontal. Son diferentes en cuanto al arreglo de válvulas. Los primeros tienen un arreglo vertical de las valvulas, mientras que en el tipo horizontal estan psoicionadas horizontalmente.
En esta parte, nos enfocaremos en los arboles de navidad de tipo vertical (convencionales). Los arbolitos verticales se fabrican en configuraciones de orificio simple y dual, teniendo rangos de presión entre 5.000 y 15.000 psi. El cuerpo del arbolito puede estar hecho de acero al cabón, acero de baja aleación, acero inoxidable, dependiendo del entorno operativo. La Figura 1 muestra el árbol submarino de un solo orificio convencional de la empresa DrillQuip.
Figure 1 – Arbol de produccion vertical convencional de un solo
orificio / Conventional single-bore subsea tree. Cortesía de DrilQuip
Los arboles verticales pueden tener configuraciones de orificios duales para permitir el monitoreo de la presión anular (Figura 2).
Figura 2 – Dual Bore Subsea Tree
La Figura 3 nos ilustra un diagram simple de arbolito submarion
de doble orificio
Figura 3 – Diagrama de arbolito Vertical
Un árbol submarino vertical típico consta de las siguientes válvulas:
- Válvula maestra inferior y superior de producción - Su función es abrir o cerrar el orificio principal que contiene hidrocarburos. Normalmente, un árbol submarino tiene dos válvulas maestras por motivos de seguridad. La válvula maestra de menor producción está diseñada para operación con ROV. Válvula de ala de producción: su función es controlar el flujo de hidrocarburos hacia una línea de flujo submarina. Válvula de hisopo de producción: su función es proporcionar acceso al pozo de producción durante la intervención del pozo.
- Válvula de cruce: su función es controlar el flujo entre la tubería de producción y el anillo. Válvula maestra anular: su función es abrir o cerrar el orificio anular.
- Válvula de ala de anillo: su función es controlar el flujo desde la l
- ínea de flujo de producción o controlar el cordón umbilical al anillo.
- Válvula de suabeo anular: su función es proporcionar acceso al orificio anular durante la reentrada de reacondicionamiento.
La tubería de terminación se aterriza en la carcasa del cabezal del pozo de alta presión.
Dos orificios verticales permiten el acceso a la tubería y el anillo de tubería / revestimiento de producción.
El reacondicionamiento se puede realizar con un paquete de elevador inferior de doble orificio, un paquete de desconexión de emergencia y un elevador.
Cada agujero tiene una válvula de hisopo y una válvula maestra; por lo tanto, estos proporcionan dos barreras independientes para fluir. \
La mayoría de los árboles se pueden ejecutar y recuperar con la intervención de un ROV.
Requiere que el BOP se reduzca solo una vez después de aterrizar una cadena de finalización.
Breves secuencias operativas para instalar un árbol submarino vertical
Spud el pozo sin elevador
Ejecutar conductor con carcasa de boca de pozo de baja presión
Carcasa de conductor de cemento
Perforar y ejecutar revestimiento de superficie con carcasa de cabezal de pozo de alta presión (cabezal de pozo)
Revestimiento de superficie de cemento
Inserte un BOP submarino en la carcasa del cabezal de pozo de alta presión
Programa completo de perforación y cementación
Ejecutar finalización
Coloque el soporte de tubería en el cabezal del pozo
Coloque los tapones de cable a través de la herramienta de ejecución de suspensión de tubos y pruebe.
Recupere la herramienta de ejecución del colgador de tubos.
Desconectar BOP
Tire del BOP y del elevador marino a la superficie.
Instale el árbol vertical desde la plataforma o desde una embarcación alternativa y realice la prueba en el árbol
Paquete de intervención de montaje
Quite los enchufes de cable
Recuperar paquete de intervención
Instalar una tapa de árbol
}
Este video del grupo Expro demuestra cómo se instala un sistema de mar vertical submarino en una operación en aguas profundas. Esto puede darle algunas ideas sobre cómo funciona la herramienta. El video puede ser ligeramente diferente de las secuencias indicadas anteriormente porque cada operador puede realizar la operación de manera diferente. Sin embargo, el concepto general es similar a las secuencias.
References
What is a Vertical Subsea Christmas Tree (Conventional Subsea Tree)?
Arbol de Navidad Submarino Tipo Horizontal
La Figura 2 nos ilustra un diagrama simple de un arvolito de arreglo horizontal.
Figura 2 – Horizontal Subsea Tree Diagram
Un árbol submarino horizontal típico consta de las siguientes válvulas:
Arbol de Navidad Vertical vs Horizontal Offshore
Arbol de Navidad Vertical Subsea
Ventajas
- Requieren bajar solamente una vez un niple para BOP
- No requiere que sea removido el tapón de Guaya fina desde el árbol para una intervención del pozo programada.
- El mejor para Campos dónde nos espera realizar trabajos de WorkOver Hay pocas posibilidades de hacerlo
- Es más fácil y menos costoso realizar un cambio de arbolito vertical que en una horizontal .
- Si se requiere realizar operaciones de work Over tales como re completacion, cambio de tubería, instalación de herramientas de fondo adicionales, etcétera; se debe remover el arbolito vertical con el fin de instalar una BOP en el pozo
ARBOL DE NAVIDAD Horizontal Subsea
Ventajas
- En el mejor para campo donde se espera realizar operaciones de work over o de reacondicionamiento muy a menudo porque no se necesitan remover el arbolito
- Puede tener una tubería de mayor diámetro en los arbolitos verticales
- Tiene la más baja altura del arbolito
Desventajas
- Menor flexibilidad para las operaciones si la entrega del arbolito se retrasa.
- Requiere dos corridas de BOP submarina y riser.
- La sarta de completación debe ser removida si se requiere reemplazar el arbolito.
- Se deben retirar los dos tapones de Guaya fina (tapones Corona) antes de iniciar cualquier programa de intervención . Han existido casos donde la gente se ha encontrado con mucha dificultad para remover los tapones . Esto puede ocasionar tiempo extra y costos para las operaciones.
Consideraciones de los arbolitos submarinos (Vertical vs Horizontal)
- El costo de un arbolito vertical es similar al del horizontal basado en especificaciones similares The cost of a vertical tree is similar to a horizontal tree based on similar specification.
- Cambiar y retirar un arbolito horizontal es más costoso y consume más tiempo que reemplazar un arbolito vertical, porque toda la sarta de completación deber ser removida . Los arbolitos submarinos de arreglo vertical pueden ser reemplazados usando un taladro barcazas ligeras de intervención de pozos. Sin embargo , los arbolitos submarinos de arreglo horizontal requieren solamente el uso de un taladro para ser reemplazados. Por lo tanto, los arbolitos horizontales deben ser usados cuando Hay muy poca posibilidad de que sea reemplazado el arbolito. Es muy importante realizar estudios estadísticos para priorizar la selección de un arbolito horizontal
- Dos corridas de BOP y de riserde requieren para los arbolitos horizontales, mientras que estas se realizan en una sola vez cuando el arbolito es de arreglo vertical.
- Para los pozos que requieren varios cambios de completación durante su ciclo de vida un arbolito horizontal submarino permite ahorrar tiempo y costos Ya que no se requiere que sea removido ni retirar las líneas de flujo los arbolitos modernos se conectan a una base de flujo la cual permite a las líneas permanecer conectada cuando se remueve el arbolito.
